热带海洋大气环境下制动盘防护工艺耐腐蚀性能分析

佘祖新，范梅梅，黄平，姚翔宇

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023）

环境效应防护

热带海洋大气环境下制动盘防护工艺耐腐蚀性能分析

佘祖新1，范梅梅2，黄平2，姚翔宇2

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023）

目的 研究汽车制动盘的三种防护工艺在热带海洋大气环境下的耐腐蚀性能。方法 针对三种防护工艺的制动盘，在万宁试验站采用户外暴露试验方法开展对比试验。结果 某无铬锌铝涂层1防护工艺的制动盘严重生锈，腐蚀程度最严重。某无铬锌铝涂层 2和石墨烯防护工艺的制动盘在热带海洋大气环境中发生轻微生锈。结论 在热带海洋大气环境下，某无铬锌铝涂层1防护工艺的耐蚀性能最差，某无铬锌铝涂层2和石墨烯防护工艺耐蚀性能良好，具有更好的环境适应性。

制动盘；热带海洋大气环境；腐蚀；环境适应性

汽车是耐用消费品，服役环境较恶劣，汽车制造所用的材料以金属为主，而金属材料普遍存在腐蚀问题。腐蚀不仅影响汽车美观，还直接影响到汽车质量、安全性和使用寿命，同时带来环境污染、材料与能源的浪费，而且因腐蚀异常而损坏的汽车零部件还极易引发交通事故，甚至造成车毁人亡的惨剧[1—4]。汽车的腐蚀问题已经成为重点关注的问题之一。

海洋大气环境具有高温、高湿、高盐雾、高辐射的特点，在这种严酷的环境条件下[5—10]，汽车零部件的腐蚀问题更为突出。高温、高湿、高盐雾综合作用下，汽车零部件极易发生腐蚀，汽车零部件在热带海洋大气环境条件下的适应性问题越来越受到设计与生产单位重视。因此，开展汽车零部件在热带海洋大气环境下的环境适应性分析研究，对设计与生产过程中汽车零部件防护工艺的合理选择、设计改进和提高环境适应性具有重要意义。

1 试验

1.1 试验样品

选择了三种不同防护工艺的制动盘作为试验样品，样品信息见表1。

表1 试验样品

1.2试验环境与检测要求

三种试验样品均在热带海洋大气环境（海南万宁试验站）中利用户外暴露试验方法开展对比试验。试验环境的温度、相对湿度以及太阳辐射量如图 1所示。试验过程中定期对制动盘进行外观检测。

图1 万宁试验站环境条件

2 结果

三种不同防护工艺的制动盘经过热带海洋大气环境下户外暴露1年试验，其外观检测结果如图1所示。由于制动盘内圈未作防护处理，试验过程中制动盘内圈不作为环境适应性考核区域，仅对制动盘外圈（下文直接描述为制动盘）作外观检测记录。

从图2可以看出，三种制动盘均产生了不同程度的金属基材腐蚀。某无铬锌铝涂层1的制动盘1严重生锈，腐蚀程度最深；某无铬锌铝涂层2的制动盘2和石墨烯的制动盘3轻微生锈，腐蚀程度较轻。

图2 制动盘试验前后外观形貌

从外观腐蚀过程来看，试验1个月时，三种制动盘都出现了轻微生锈。随着暴露时间的延长，制动盘 1生锈现象越来越严重，制动盘2和3的腐蚀发展不明显，腐蚀程度未出现明显变化。三种制动盘试验过程中的外观腐蚀形貌如图3所示，腐蚀发展程度见表2。

图3 制动盘试验1个月后外观形貌

表2 制动盘外观检测结果

3 分析与讨论

3.1 外观腐蚀形貌分析

为了更好地分析制动盘在热带海洋大气环境下的外观腐蚀变化情况，检测了制动盘涂层的厚度。对于某无铬锌铝涂层1的制动盘1，其涂层厚度比较薄，约14～20 μm。在相对湿度高、腐蚀污染介质浓度高的严酷环境下，无铬锌铝涂层对金属基材的腐蚀防护作用有限，随着防护工艺的腐蚀破坏，水分、腐蚀介质渗透到金属基材，导致制动盘基材腐蚀，产生红棕色锈迹。相对于制动盘1，采用某无铬锌铝涂层2防护工艺的制动盘2在户外暴露1年后外观腐蚀程度较轻，这可能与某无铬锌铝涂层2的厚度及耐腐蚀性能有关。从厚度测试结果来看，某无铬锌铝涂层2的测试厚度值为36～69 μm，主要集中于40 μm，而某无铬锌铝涂层1的厚度主要集中于15 μm，两种防护工艺的厚度差达到2倍以上。通常，在一定厚度范围内，同一种防护工艺涂层越厚，其对基材的有限防护时间越久。从两种防护工艺腐蚀情况的对比可以看出，适当增加防护工艺的厚度对提高防护时间具有一定的作用。对于采用石墨烯防护工艺的制动盘3，从图2c和f可以看出，其腐蚀程度与某无铬锌铝涂层2的制动盘2的腐蚀程度差别不大。这两种防护工艺的防腐效果较好，在高温、高湿、高太阳辐射的环境下其环境适应能力较好。

从三种制动盘防护工艺在万宁试验站的腐蚀/老化状况来看，某无铬锌铝涂层2和石墨烯的防护效果较好，某无铬锌铝涂层1的防护效果较差。

3.2 防护工艺腐蚀原因分析

为了分析和掌握制动盘在热带海洋大气环境下的腐蚀机理和原因，利用SEM观测了涂层的外观形貌，利用EDX对腐蚀产物进行了分析。两种无铬锌铝涂层试验后的微观形貌和EDX能谱分别如图4和图5所示，两种无铬锌铝涂层的能谱测试结果见表3和表4。

图4 试验后某无铬锌铝涂层表面微观形貌

图5 试验后某无铬锌铝涂层EDX图谱

表3 试验后某无铬锌铝涂层1的EDX测试结果

从图4可以看出，某无铬锌铝涂层1表面有大小不等的块状物，并且出现了裂纹。结合其能谱测试结果来看，某无铬锌铝涂层1中锌和铝的含量很低，并且铁的质量分数已达50%左右。表明其涂层腐蚀剥落比较严重，基材暴露发生腐蚀。某无铬锌铝涂层2的表面有部分较大的团絮状白色物质，可能是涂层中的锌、铝发生腐蚀，其余部位的颜色、形态比较均匀。从其能谱测试结果来看，铝的质量分数约为10%，锌的质量分数约为43%，铁的含量较低。表明其涂层中锌铝含量较高，涂层未发生明显腐蚀剥落，对基材具有良好的保护作用。此外，由于锌、铝的电位要比铁的电位低，在相对湿度、温度等环境因素的作用下，涂层中的锌、铝会优先发生腐蚀，起到对基材的防护作用[11—12]。随着涂层中铝、锌的不断腐蚀消耗，以及涂层的老化剥落等，无铬锌铝涂层对基材的防护效果会逐渐减弱，直至基材发生腐蚀。因此，除了涂层厚度及其制备工艺质量外，无铬锌铝涂层中锌、铝含量的高低也对其防护效果有重要的影响。

表4 试验后某无铬锌铝涂层2的EDX测试结果

石墨烯防护工艺的制动盘 3经户外暴露 1年的表面腐蚀形貌如图 6所示。可以看出，其表面由类似于絮状物以及块状结构组成，且分布有少量的裂纹，表明基体仅发生了很轻微的腐蚀。石墨烯结构如图7所示，是由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形呈蜂窝状晶格的平面薄膜。石墨烯片层的共轭结构，在涂层中层层叠加形成致密的隔绝层，阻隔水分等介质的扩散渗透，对基材起到物理防腐作用[13—16]。研究表明，在环氧富锌涂料中添加1.0%的石墨烯，可使耐盐雾能力从624 h提高到2500 h，防腐性能明显提高。

图6 试验后石墨烯表面微观形貌

图7 石墨烯结构

4 结论

通过制动盘在万宁试验站户外暴露 1年的试验结果及分析可以得到以下结论。

1）在热带海洋大气环境下，采用某无铬锌铝涂层1的制动盘1发生严重的腐蚀生锈现象，采用某无铬锌铝涂层2的制动盘2仅出现轻微的生锈，采用石墨烯工艺的制动盘 3仅出现轻微的锈点并且随着暴露时间的延长，其腐蚀程度变化不明显。

2）三种制动盘防护工艺在热带海洋大气环境下的耐蚀能力优劣顺序为：某无铬锌铝涂层2、石墨烯的防护效果较好，某无铬锌铝涂层 1的耐蚀能力较差。在热带海洋大气环境下，建议制动盘的防护工艺选用某无铬锌铝涂层2和石墨烯。

[1] 张春和, 张大鹏, 蔡志强. 沿海地区汽车腐蚀的原因与防护方法探析[J]. 腐蚀与防护, 2003, 24(12): 542—544.

[2] 陈拯, 宛萍芳, 于磊, 等. 汽车常见腐蚀问题分析及改进措施探讨[J]. 环境技术, 2010(6): 37—41.

[3] 张德生, 臧杰. 汽车各类腐蚀的频发部位及原因分析[J]. 黑龙江工程学院学报, 2006, 20(1): 67—70.

[4] 谭越. 浅谈汽车腐蚀与案例[J]. 装备制造技术, 2014(6): 223—225.

[5] 张先勇, 舒德学, 陈建琼. 海南万宁试验站大气环境及腐蚀特征研究[J]. 装备环境工程, 2005, 2(4): 77—79.

[6] 王玲, 杨万均, 张世艳, 等. 热带海洋大气环境下电连接器环境适应性分析[J]. 装备环境工程, 2012, 9(6): 5—9.

[7] 李家柱. 大气环境及腐蚀性[J]. 装备环境工程, 2005, 2(2): 58—61.

[8] SHI Hong-wei, LIU Fu-chun, HAN En-hou. The Corrosion Behavior of Zinc-rich Paints on Steel: Influence of Simulated Salts Deposition in an Offshore Atmosphere at the Steel/Paint Interface[J]. Surface & Coatings Technology, 2011, 205: 4532—4539.

[9] 舒畅, 苏艳, 吴龙益. 飞机蒙皮防护涂层对海洋大气环境的适应性研究[J]. 材料保护, 2010, 43(12): 56—58.

[10] 穆山, 李军念, 王玲, 等. 海洋大气环境金属防护涂层技术与工艺研究[J]. 装备环境工程, 2012, 9(1): 81—84.

[11] 柯昌美, 王全全, 汤宁, 等. 无铬锌铝涂层的研究现状[J]. 上海涂料, 2010, 48(5): 29—32.

[12] 罗建光, 梅路, 罗建成. 新型无铬锌铝涂层的研究进展[J]. 广州化工, 2013, 41(3): 13—15.

[13] 刘国杰. 石墨烯研究进展及在水性涂料中应用简况[J].中国涂料, 2015, 30(4): 22—28.

[14] 蓝席建, 周福根, 冯伟东. 石墨烯导电海洋重防腐蚀涂料的研制[J]. 上海涂料, 2014, 52(12): 17—20.

[15] YU Yuan-hsiang, LIN Yan-yu, LIN Chia-hsuan, et al. High-performance Polystyrene/Grapheme-based Nanocomposites with Excellent Anti-corrosion Properties[J]. Polymer Chemistry, 2014, 5(2): 535—550.

[16] 何青, 马爱斌, 江静华, 等. 石墨烯的制备及其在金属防腐中的研究进展[J]. 功能材料, 2013(增刊II): 176—179.

Corrosion Resistance of Brake Discs Protection Technology in Tropical Ocean Atmosphere

SHE Zu-xin1,FAN Mei-mei2,HUANG Ping2,YAO Xiang-yu2
(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039; 2.Chongqing Changan Automobile Co., Ltd, Chongqing 400023)

Objective To study the corrosion resistance of automobile brake discs subject to three protection technologies in tropical ocean atmosphere. Methods The contrast test was conducted by means of outdoor exposure test in Wanning test station for the brake discs subject to three protection technologies. Results Brake disc with chrome-free zinc-aluminum coating 1 got rusty seriously and suffered most severe corrosion in tropical ocean atmosphere. However, the brake discs with chrome-free zinc-aluminum coating 2 and subject to graphene protection technology were rusted slightly. Conclusion The corrosion resistance of the chrome-free zinc-aluminum coating 1 is the worst among the three kinds of protection technologies. The corrosion resistance and environmental suitability of chrome-free zinc-aluminum coating 2 and graphene protection technology are good, which can provide good corrosion protection for the substrate in tropical ocean atmosphere.

brake disc; tropical ocean atmosphere; corrosion; environmental suitability

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.015

TJ81；TG174.4

A

1672-9242(2017)01-0061-05

2016-07-27；

2016-08-11

佘祖新（1988—），女，贵州人，硕士，工程师，主要从事环境试验研究工作。